吳 限

(甘肅酒鋼(集團(tuán))宏聯(lián)自控有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展與用戶高質(zhì)量用電需求的增加,我國(guó)電力系統(tǒng)正朝著大容量、高電壓、全國(guó)互通的方向發(fā)展,這對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等性能提出了更高要求[1-3]。輸變電設(shè)備是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心,其中變壓器作為電網(wǎng)最重要、最昂貴的一次設(shè)備,其主要功能是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓等級(jí)變換、電能輸送及潮流控制。變壓器一旦發(fā)生故障,會(huì)直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行,故障嚴(yán)重甚至?xí)l(fā)重大安全事故。因此,通過(guò)先進(jìn)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)確保電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)變壓器的故障診斷仍依賴周期性計(jì)劃運(yùn)維為主,故障查找效率及準(zhǔn)確性低下,同時(shí)計(jì)劃停電還會(huì)不斷影響用戶用電滿意度[4-6]。針對(duì)變壓器的監(jiān)測(cè),目前多采用油色譜分析法,此方法中的參數(shù)檢測(cè)通常為離線測(cè)定,且監(jiān)測(cè)氣體參數(shù)較為單一,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者基于變壓器在線監(jiān)測(cè)診斷與數(shù)字化測(cè)量技術(shù)原理及應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一套電力變壓器自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用油色譜監(jiān)測(cè)為主、多故障參數(shù)檢測(cè)并行的策略,選取油內(nèi)氣體、溫度、局部放電量作為典型故障參數(shù),并對(duì)相應(yīng)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變壓器的全方位監(jiān)測(cè)與故障診斷提供思路和參考。

1 變壓器監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)分析

1.1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)及故障類型分析

油浸式變壓器按結(jié)構(gòu)不同可分為鐵芯式與鐵殼式,二者在鐵芯與繞組位置上稍有不同,工作原理無(wú)本質(zhì)區(qū)別,主要由鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置及保護(hù)裝置等組成,組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

按照部位不同,變壓器故障可分為內(nèi)部故障及外部故障兩大類。鐵芯與繞組作為變壓器核心部件是內(nèi)部故障的多發(fā)位置,外部故障多以高低壓絕緣套管等變壓器外部部件的故障及非正常運(yùn)行狀態(tài)為主,變壓器主要故障分類如表1所列。

表1 油浸式變壓器主要故障類型及原因

由表1可知,變壓器內(nèi)外部故障的主要因素為絕緣受損。其中,部件過(guò)熱、局部放電等電熱類故障是誘發(fā)絕緣損毀的主要原因。在發(fā)熱或放電的故障發(fā)展過(guò)程中,變壓器各部件的絕緣材料及變壓器油會(huì)發(fā)生電熱化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生大量CO2、CO及多種碳?xì)浠衔?。因?對(duì)變壓器油中溶解氣體的成分及含量進(jìn)行分析可有效識(shí)別診斷變壓器不同類型故障。

1.2 系統(tǒng)總體監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

基于變壓器結(jié)構(gòu)及故障類型分析,文中以油中氣體監(jiān)測(cè)為主要故障診斷方式,輔以溫度監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器電熱故障的全面監(jiān)測(cè)診斷。

油中氣體作為系統(tǒng)主監(jiān)測(cè)量,需對(duì)監(jiān)測(cè)方法及故障特征氣體進(jìn)行合理選擇,目前變壓器油色譜分析通常采用CO、CO2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六種氣體作為系統(tǒng)特征氣體,并以各特征氣體的油中含量作為變壓器故障判據(jù),變壓器不同類型故障對(duì)應(yīng)氣體成分如表2所列。

表2 油浸式變壓器故障特征氣體成分

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)診斷速度及直觀性,系統(tǒng)故障診斷策略采用大衛(wèi)三角形法,從六類氣體中選取CH4、C2H4、C2H2三種氣體作為特征量進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過(guò)三種氣體濃度比值對(duì)故障類型進(jìn)行診斷。相比于傳統(tǒng)查表診斷方法,大衛(wèi)三角形法在可視化監(jiān)測(cè)方面更具優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)可通過(guò)上位機(jī)交互界面所顯示的大衛(wèi)三角形直觀監(jiān)測(cè)變壓器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),并快速判斷故障類型。大衛(wèi)三角形法故障判別規(guī)則如圖2所示。

圖2 大衛(wèi)三角形法示意圖PD.局部放電 D1.低能放電 D2.高能放電 D+T.放電熱故障T1.高熱故障(t>700 ℃) T2.中熱故障(300 ℃

2 變壓器智能檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照系統(tǒng)總體監(jiān)測(cè)方案要求,采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、綜合監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及通信網(wǎng)絡(luò)組成,總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以綜合監(jiān)測(cè)模塊為功能核心,在油色譜監(jiān)測(cè)模塊基礎(chǔ)上增加溫度監(jiān)測(cè)模塊及局部放電監(jiān)測(cè)模塊,以實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測(cè)。這樣可防止采用單一的氣體監(jiān)測(cè)時(shí)因發(fā)生短路故障造成參數(shù)超標(biāo)而引起誤判,從而進(jìn)一步提高了變壓器故障診斷結(jié)果的可靠性。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由工業(yè)以太網(wǎng)及RS485總線構(gòu)成,其中工業(yè)以太網(wǎng)用于綜合監(jiān)測(cè)模塊與上位機(jī)的通信,RS485用于現(xiàn)場(chǎng)分布式傳感器與綜合監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸,變壓器氣體、溫度、局部放電量等參數(shù)由數(shù)據(jù)采集模塊中的氣敏傳感器等設(shè)備進(jìn)行采集上傳。

2.2 油色譜監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

油色譜監(jiān)測(cè)模塊主要由氣敏傳感器、主控器、脫氣機(jī)、通信模塊及電源組成,模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 油色譜監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

模塊主控器選用STM32F103RCT6型MCU;氣敏傳感器選用QM-N5 N型半導(dǎo)體氣敏傳感器,QM-N5測(cè)量范圍為50～10 000 ppm,響應(yīng)時(shí)間≤10 s,可用于CH4、C2H4、C2H2三種特征氣體濃度檢測(cè),具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、輸出信號(hào)大等優(yōu)點(diǎn)。模塊工作原理為:首先通過(guò)取油閥將變壓器油輸送至脫氣機(jī)中進(jìn)行脫氣并按照色譜柱分類,再由QM-N5對(duì)特征氣體濃度值進(jìn)行采集,然后氣體濃度信號(hào)傳輸至控制器中進(jìn)行處理,最終由RS485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2.3 局部放電監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

局部放電監(jiān)測(cè)模塊的工作原理為:變壓器局部放電產(chǎn)生的電磁脈沖及輻射通過(guò)高頻傳感器進(jìn)行采集傳輸,由上位機(jī)程序判斷是否發(fā)生局部放電。文中選用UHF-300EEE2型特高頻傳感器對(duì)變壓器內(nèi)部局部放電特高頻信號(hào)進(jìn)行采集,UHF-300EEE2頻帶為300 MHz～1.5 GHz,測(cè)量靈敏度≤-65 dBm,滿足系統(tǒng)采集需求。特高頻信號(hào)通過(guò)高頻同軸電纜輸入至信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理,最終信號(hào)通過(guò)RS485傳輸至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷,局部放電監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 局部放電監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 溫度監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

選用IF-C油浸式變壓器光纖溫度采集系統(tǒng)對(duì)溫度監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行架構(gòu),IF-C測(cè)溫范圍為-40～200 ℃,測(cè)量精度可達(dá)±0.1 ℃,具備最多32路測(cè)溫通道,支持RS485及以太網(wǎng)等多種通信方式,IF-C采用熒光光纖溫度傳感探頭對(duì)變壓器油溫及殼溫參數(shù)進(jìn)行采集,具有抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),可滿足系統(tǒng)對(duì)變壓器溫度的監(jiān)測(cè)需求。

3 試驗(yàn)應(yīng)用效果

為驗(yàn)證此系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及使用效果,文中以110 kV戶外雙繞組油浸式變壓器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行后,可對(duì)運(yùn)行中的變壓器油中氣體成分及濃度、變壓器油溫殼溫及局部放電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)上位機(jī)交互界面的可視化圖形及實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)可直觀掌握變壓器當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí),該系統(tǒng)具備故障診斷與報(bào)警功能,系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)前變壓器油中C2H4濃度比值為18.72%,CH4濃度比值為79.88%,變壓器油溫及殼溫均處于額定范圍。通過(guò)大衛(wèi)三角形區(qū)域極限值判斷可知,目前變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài),未發(fā)生局部放電及熱故障。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)油浸式變壓器監(jiān)測(cè)參數(shù)單一、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套電力變壓器自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)油色譜、溫度及局部放電綜合監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油浸式變壓器的全方位在線監(jiān)控及故障診斷。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,系統(tǒng)可通過(guò)變壓器油中氣體濃度比值、溫度等多判據(jù)確定變壓器運(yùn)行狀態(tài),數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,對(duì)于保障變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際意義。